介绍管壳式换热器的传热知识

管壳式换热器是工业中应用广泛、运用可靠性良好的一种换热设备。世界各国在二十世纪六、七十年代开始了强化技术的研究。强化传热主要有两种途径:

(1)增大传热面积,但换热器的传热面积不可能无限制地增大,否则投资费用会大大增加,并且随着工业化的进展,设备要紧凑化;

(2)提高传热系数,主要从管程和壳程传热强化系数的提高方面上考虑。许多科研工作者已经在这一方面上进行了大量的研究,并且取得了很大的成效。本文主要讨论了管壳式换热器管程的强化传热———改变管子外形或在管内加入插入物,介绍了螺旋槽管、横纹管、螺旋扁管、管内插入物、翅片管、缩放管和三维内肋管等多种强化传热管的研究进展。

1螺旋槽管

螺旋槽管是一种管壁上具有外凸和内凸的异形管,管壁上的螺旋槽能在有相变和无相变的传热中明显提高管内外的传热系数,起到双边强化的作用。根据在光管表面加工螺旋槽的类型螺旋槽管有单头和多头之分,其主要结构参数有槽深e、槽距p和槽旋角β。美国、英国、日本从1970年至1980年间对螺旋槽管进行了大量的研究[1]。华南理工大学、北京理工大学和重庆大学也对螺旋槽管进行试验研究,而且都取得显著的成效。此外,研究还表明单头螺旋槽管比多头螺旋槽管的性能好。目前,无论是从传热、流阻、结垢性能,还是从无相变对流换热和有相变凝结换热,对螺旋槽管的强化传热研究从理论到实际已达到较高水平。进一步结合计算机软硬件的发展,对螺旋槽管在不同场合传热的模拟和仿真,找出具有较大通用性的关联式以及优化螺旋槽管的结构尺寸将是今后研究的方向。

2横纹管

1974年前苏联首先提出横纹管,它是一种用普通圆管作毛胚,在管外壁经简单滚轧出与轴线垂直的凹槽,同时在管内形成一圈突起的环肋。其强化机理为:当管内流体经横向环肋时,管壁附近形成轴向漩涡,增加了边界层的扰动,有利于热量通过边界层的传递。当涡流即将消失时,流体又流经下一个横肋,不断产生轴向涡流,因而保持连续且稳定的强化作用。横纹管主要用来强化管内单相流体的传热,华南理工大学经研究发现,在相同流速下,横纹管流阻比单头螺旋槽管的小。

3螺旋扁管

螺旋扁管是瑞士Allares公司首先提出、美国Brown公司经过改进的一种换热管。由于管子的独特结构,流体在管内处于螺旋流动,促湍流程度。梁龙虎[3]经实验研究,表明螺旋扁管管内膜传热系数通常比普通圆管大幅度提高,在低雷诺数时为明显,达2～3倍;随着雷诺数的增大,通常也可提高传热系数50%以上。

4管内插入物

管内插入物的类型有很多,主要有:麻花铁、螺旋线圈、螺旋带、螺旋片、扭带和静态混合器等。各种插入物的强化传热机理一般可分为以下四种:(1)形成旋转流;(2)破坏边层;(3)中心流体与管壁流体产生置换作用;(4)产生二次流。管内插入物的优点是对旧的换热器设备进行改造,以提高其换热性能。在强化传热的同时,能达到清除污垢的目的。英国CalGavin公司研制一种叫Heatex的插入物,它由一组延伸至管壁的圆态体组成,可管侧传热效率提高2～15倍[4]。该公司还开发了一种叫HitranMatrixElements的花环式插入物,能在不增大压降的条件下大大提高传热系数。用于液体工况,可管壳式换热器管程传热效率提高25倍;用于气体工况,可相应值提高5倍。此外,与正常流速相比,这种插入物换热管的防垢能力提高8～10倍[5]。

5内翅片管

内翅片管是采用特殊的焊接工艺和设备加工而成,流体在管内的换热过程为单相强制对流换热。其主要特点是通过在传热管管内扩大传热面积、强化管内传热的途径来提高换热器的传热性能。1971年美国首先提出内翅片管,并于二十世纪九十年代又开发出一种高效强化管内相变传热的内螺旋翅片管。日本、前苏联等国也进行大量的研究工作。八十年代初,日立电缆有限公司研究表明,采用左右错式的螺旋内翅片管强化单相流体的传热可管内给热系数提高到光管的2.8倍左右[6]。

6缩放管

缩放管是由依次交替的多节渐缩段和渐扩段构成,流体在该管结构的作用下引起湍动,从而提高传热效率。缩放管应用于单相流的研究已开展很多。华南理工大学提出一种改型缩放管,将每个缩放单元段中的扩张段减到小,并采用外凸圆弧、内凹弧和直线相连接的方式。同时还对该改进型管进行自然对流沸腾换热特性的实验研究,表明了改进型缩放管的自然对流沸腾换热性能优于普通缩放管[7]。陈颖[8,9]经实验和模拟计算,表明该改进型缩放管有较好的强化传热效果。

7维内肋管

三维内肋管是通过专用的工具经过一定的方法对普通圆管内壁加工而成的高效强化传热元件。流体在管内受到三维肋的作用而其热边界层的厚度减薄,从而提高对流传热膜系数。在某些烟气管对流换热中,三维内肋管具有独特的自清灰功能,李清方[10]经实验,发现烟气与三维内肋管的对流换热系数可达光管的3.2倍,比其它强化管如螺纹管的传热效果好。

8结束语

随着计算机软硬件的发展,计算流体力学(CFD)在流体流动和传热进行计算机模拟和仿真方面上将会得到更广泛的应用。为了达到更好的强化传热目的,更优化的强化结构组合研究也将成为传热强化技术研究的发展方向。

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